长期以来，我们对宇宙最初星系的理解很大程度上依赖于理论。那个时代的光经过数十亿年才到达我们这里，在途中，它被遮蔽并延伸到红外线中。关于第一个星系的线索就隐藏在凌乱的光线中。现在，我们拥有了詹姆斯·韦伯太空望远镜及其强大的红外功能，我们可以比以往任何时候都更加清晰地了解过去。

即使我们看不到第一批恒星我们也可以检测到它们对第一批星系的影响

詹姆斯韦伯太空望远镜对一些最早的星系进行了成像，带来了大量新见解和挑战性问题。但它看不到单个恒星。

天文学家如何检测它们对宇宙第一批星系的影响?

恒星是强大的动态物体，具有强大的力量。它们可以将原子融合在一起形成全新的元素，这种行为称为核合成。超新星在这方面尤其有效，因为它们强大的爆炸释放出能量和物质的漩涡，并将其传播回宇宙。

超新星自宇宙诞生之初就已存在。宇宙中的第一颗恒星被称为第三族恒星，它们是质量极大的恒星。大质量恒星是爆炸为超新星的恒星，因此在第三星族恒星中超新星的数量一定非常多。

新的研究探讨了所有这些超新星如何影响它们的宿主星系。论文《第三族超新星如何确定第一星系的性质》已被《天体物理学杂志》接受发表，并发布到arXiv上。主要作者是中央研究院天文与天体物理研究所的陈克荣。

恒星金属丰度是这项工作的核心。当宇宙开始时，它由原始氢、氦以及微量的锂和铍组成。如果你检查元素周期表，就会发现这些是前四种元素。比氢和氦重的元素在天文学中被称为“金属”，宇宙中的金属丰度由于恒星核合成而随着时间的推移而增加。

但氢当时和现在一样主宰着宇宙。只有当第一批恒星形成并爆炸后，其他元素才开始发挥作用。

这篇新论文的作者写道：“z~20~25的原始(PopIII)恒星的诞生标志着宇宙黑暗时代的结束以及第一个星系和超大质量黑洞(SMBH)形成的开始。”但他们作为天文金属创造者的角色是这项研究的核心。

研究人员使用计算机流体动力学模拟来研究PopIII恒星如何塑造早期星系。他们研究了核心塌缩超新星(CCSNe)、不稳定对超新星(PISNe)和超新星(HNe)。

恒星只能由寒冷、致密的气体形成。当气体太热时，它的密度不足以塌陷成原恒星核心。研究人员发现，当PopIII恒星作为超新星爆炸时，它们会产生金属并将其扩散到周围的气体中。这些金属迅速冷却了恒星形成气体，导致更多恒星更快形成。“我们的研究结果表明，来自头重脚轻的PopIIIIMF(初始质量函数)的SNR会产生更多的金属，从而导致第一个星系中更有效的气体冷却和更早的PopII恒星形成。”

模拟显示，来自PopIIISN的超新星遗迹(SNR)落向它们所在的暗物质晕的中心。“这些PopIIISNR和原始气体被晕引力拖向其中心，”作者解释。这些信噪比有时会发生冲突并产生湍流。湍流将来自超新星的气体和金属混合在一起，“产生丝状结构，由于气体的自重力和金属冷却，很快就会形成致密的团块”。

研究中的这张图显示了模拟中的金属丰度(顶部)和温度(底部)切片，显示了一颗200个太阳质量的恒星正在形成，寿命非常短，然后爆炸为超新星。爆炸会对下一颗恒星产生反馈。左图显示恒星形成前的情况，中图显示恒星形成后1.5迈尔的情况，右图显示恒星死亡后0.5迈尔的情况。爆炸后，它形成了炽热且富含金属的喷射物的超新星遗迹。喷射物中的金属有助于冷却气体，促进下一代PopII恒星更快的形成。图片来源：陈等人。2024年

这导致更多的恒星形成，尽管此时它们仍然是PopIII恒星。它们没有被早期的PopIII超新星所丰富，仍然由原始气体组成。其中一些后来的PopIII恒星在最初的恒星到达光环中心之前就形成了。这就造成了一个复杂的情况。

作者写道，第二轮PopIII恒星“在初始PopIII信噪比到达晕中心之前施加强烈的辐射和SN反馈”。

PopIII恒星用其强大的紫外线辐射加热周围的气体，如上图所示，抑制恒星形成。但它们是大质量恒星，而且寿命不长。一旦爆炸，它们会将金属散布到周围环境中，从而冷却气体并引发更多恒星形成。“在其大约2.0Myr的短暂寿命之后，恒星以PISN的形式死亡，其冲击将气体加热到高温(>105K)，并喷射出大量金属，从而增强冷却并促进向PopIISF的过渡，”作者解释道。

这是PopIII恒星形成最早星系的地方。通过将金属注入恒星形成气体云中，他们冷却了气体。冷却使恒星形成气体云破碎，使得下一代PopII恒星的质量较小。“由于有效的金属冷却，这些PopII恒星的质量尺度转移到低质量端并形成星团，如图6右图所示。”

PopIII恒星主要存在于暗物质晕中。然而，研究表明它们如何塑造了随后的PopII恒星，这些恒星居住在早期星系中。关于第一个星系，天文学家面临的一个问题是它们是否充满了金属极度贫乏(EMP)的PopII恒星。但这项研究表明事实并非如此。“因此，我们发现电磁脉冲恒星并不是大多数原始星系的典型特征，”作者总结道。